Физики научились управлять квантовым состоянием одиночного позитрона — это приблизит проверку Стандартной модели
iXBT.com ·
Физики Северо-Западного университета США впервые подготовили одиночный позитрон — античастицу электрона — в контролируемом квантовом состоянии и научились целенаправленно управлять его энергетическими уровнями. Результаты опубликованы в журнале Physical Review Letters. Работа приближает команду к измерению магнитных свойств позитрона с точностью, сопоставимой с той, которой ранее удалось достичь для электрона. Такое сравнение позволит проверить одно из фундаментальных предсказаний Стандартной модели — теории, описывающей известные элементарные частицы и три из четырёх фундаментальных взаимодействий.
Получить и удержать позитрон непросто: при встрече с обычным электроном они могут аннигилировать, — превратиться в другие формы энергии. Поэтому учёные изолировали частицу от вещества в вакууме и удерживали её с помощью электрических и магнитных полей при температуре, близкой к абсолютному нулю. Позитрон получили при радиоактивном распаде натрия-22. В течение нескольких месяцев учёные сохраняли частицу в ловушке, а затем с помощью микроволн воздействовали на неё, переводя между квантовыми энергетическими состояниями и наблюдая эти переходы. Полученную систему назвали однопозитронным квантовым циклотроном.
Задача команды — измерить магнитные свойства позитрона и сопоставить их с характеристиками электрона. У этих частиц одинаковая масса, но противоположные электрические заряды. Стандартная модель предсказывает, что их соответствующие магнитные характеристики должны совпадать с учётом смены знака заряда. Даже небольшое достоверное расхождение могло бы указать на физические процессы, которые существующая теория не описывает.
Пока такого расхождения не обнаружено: нынешняя работа ещё не представляет собой окончательного высокоточного измерения магнитных свойств позитрона. Это экспериментальный этап, необходимый для достижения требуемой точности. Ранее команде удалось измерить магнитные свойства электрона с точностью до одной части на десять триллионов. Теперь исследователи планируют применить разработанный подход к позитрону и добиться сопоставимого результата. Сравнение двух измерений позволит проверить симметрию материи и антиматерии на чрезвычайно высоком уровне точности.
Такая проверка связана с одной из главных нерешённых загадок физики: почему наблюдаемая Вселенная состоит преимущественно из материи, хотя модели ранней Вселенной предполагают, что Большой взрыв должен был породить сопоставимые количества материи и антиматерии. Если бы они присутствовали в равных количествах и полностью аннигилировали при встрече, то привычная структура Вселенной не сформировалась бы. Известное нарушение симметрии между материей и антиматерией, называемое CP-нарушением, уже включено в Стандартную модель, но наблюдаемых эффектов недостаточно, чтобы объяснить существующий дисбаланс. Поэтому поиск дополнительных различий между частицами и античастицами может помочь обнаружить недостающие элементы теории. Сам по себе новый эксперимент всё ещё не объясняет преобладание материи, но создаёт инструмент для более строгой проверки фундаментальных законов физики.